一种可配置为电流/电压输出的风速传感器的制作方法与工艺

本发明涉及环境监测用风速传感器，尤其涉及一种可配置为电流/电压输出的风速传感器。

背景技术：
风速测量在不同的应用场合中，需要不同的输出方式，现有的输出方式包括频率输出、串行总线输出、电流输出和电压输出等方式。其中常见的电流输出形式为0-20mA电流输出和4-20mA电流输出，常见的电压输出形式为0-5V电压输出和0-10V电压输出。现有的风速传感器在一台仪器中只能提供一种输出方式，如果需要使用另外的输出方式，则需要更换传感器，这样增加了成本而且带来了麻烦。

技术实现要素：
鉴于现有风速传感器存在的问题，本发明提出了一种可配置为电流/电压输出的风速传感器。该风速传感器采用了单片机进行智能化采集和输出控制，单片机采集原始风速频率信号，经过嵌入式软件运算及处理，可以配置输出为0-20mA电流输出、4-20mA电流输出、0-5V电压输出和0-10V电压输出四种方式其中的一种。如果需要更改输出形式为上述四种形式的另外一种，只需修改嵌入式程序，重新烧写程序后，即可得到新的输出形式的风速传感器。本发明采取的技术方案是：一种可配置为电流/电压输出的风速传感器，其特征在于：该风速传感器包括电源电路、光电转换电路、单片机最小系统和数模转换电路，其中，电源电路分别与光电转换电路、单片机最小系统、数模转换电路连接，光电转换电路与单片机最小系统连接，单片机最小系统与数模转换电路连接。与现有技术相比，本发明具有以下优点：在一台风速传感器中兼容0-20mA电流输出、4-20mA电流输出、0-5V电压输出和0-10V电压输出四种输出方式。并可以通过修改嵌入式软件，配置需要的输出方式为上述四种中的一种，而无需更换风速传感器。附图说明图1为本发明的系统框图；图2为本发明的电源电路原理图；图3为本发明的电源电路原理图；图4为本发明的电源电路原理图；图5为本发明的光电转换电路原理图；图6为本发明的单片机最小系统电路原理图；图7为本发明的数模转换电路原理图；图8为本发明的应用程序流程图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1所示，本发明采用单片机最小系统，以C8051F330单片机为主控处理器，与电源电路、光电转换电路、数模转换电路相连接。其中电源电路包括电源芯片LM5009A及其外围电路、TPS7A4901芯片及其外围电路、HT7533-3芯片及其外围电路；单片机最小系统包括C8051F330单片机、晶振和其它外围电路；光电转换电路包括光电转换器及其外围电路；数模转换电路包括数模转换器及其外围电路。C8051F330单片机中运行嵌入式软件，控制采集光电转换模块输出的信号，并按照需要的输出方式输出。如图2、图3、图4所示，本发明的电源电路采用一个TPS7A4901芯片U1、一个LM5009A芯片U2和一个HT7533-3芯片U3，TPS7A4901芯片U1的8脚、5脚连接后通过二级管D1接24V电源，同时连接电容C1的一端，TPS7A4901芯片U1的6脚连接电容C4的一端，电容C2的两端、电阻R1的两端分别接TPS7A4901芯片U1的1脚、2脚，并且TPS7A4901芯片U1的1脚又与电容C3的一端连接后输出10V电源，TPS7A4901芯片U1的2脚又通过电阻R2与TPS7A4901芯片U1的0脚和4脚、电容C3的另一端、电容C4的另一端、电容C1的另一端连接后同时接AGND端。如图3所示，电源电路中，LM5009A芯片U2的6脚通过电阻R3与8脚连接，并且又连接电容C6的一端、电容C5的一端同时接24V电源，LM5009A芯片U2的3脚通过电阻R4与4脚连接，LM5009A芯片U2的7脚连接电容C7的一端，LM5009A芯片U2的2脚通过电容C8与电感L1的一端、二极管D2的阴极连接至LM5009A芯片U2的1脚，电感L1的另一端连接电容C9的一端、电阻R5的一端、电阻R7的一端，电阻R7的另一端与电容C10的一端连接后输出5V电源，电阻R5的另一端连接电阻R6的一端，并且又与电容C9的另一端连接至LM5009A芯片U2的5脚，电容C10的另一端、电阻R6的另一端、电容C7的另一端、二极管D2的阳极、LM5009A芯片U2的4脚、电容C6的另一端、电容C5的另一端连接后同时接DGND端。如图4所示，电源电路中，HT7533-3芯片U3的2脚、0脚连接钽电容C11的正端同时接5V电源，HT7533-3芯片U3的3脚连接钽电容C12的正端，同时输出3.3V电源，钽电容C11的负端、钽电容C12的负端与HT7533-3芯片U3的1脚连接后同时接DGND端。如图5所示，光电转换电路采用一个SN74AHC1G14PW反相器U4和一个OPB804光电转换器OPT1，SN74AHC1G14PW反相器U4的5脚接3.3V电源，并通过电容C13接DGND端，SN74AHC1G14PW反相器U4的2脚分别连接电阻R9的一端、OPB804光电转换器OPT1的4脚，OPB804光电转换器OPT1的1脚通过电阻R8与电阻R9的另一端连接，同时接3.3V电源，OPB804光电转换器OPT1的2脚和3脚连接后接DGND端，SN74AHC1G14PW反相器U4的3脚接DGND端，4脚连接至C8051F330单片机U21的6脚。如图6所示，单片机最小系统采用一个C8051F330单片机U21和一个接插件J21，同时单片机嵌入有应用程序，C8051F330单片机U21的19脚、18脚分别接电阻R21的两端以及晶振Y21的1脚、2脚，并且分别连接电容C22、电容C23，连接后又与C8051F330单片机U21的2脚连接，然后同时接DGND端，C8051F330单片机U21的3脚通过电容C21接DGND端，并且又接3.3V电源，接插件J21的1脚、3脚分别通过跳线W21、电阻R22连接，接插件J21的2脚接到C8051F330单片机U21的5脚,接插件J21的3脚接到C8051F330单片机U21的4脚,接插件J21的4脚接DGND端。如图7所示，数模转换电路采用一个DAC7760数模转换器U22，DAC7760数模转换器U22的2脚接3.3V电源，并且分别通过电容C26、电容C27与DAC7760数模转换器U22的16脚连接后接AGND端，DAC7760数模转换器U22的14脚和15脚连接，并且通过电容C29接AGND端，DAC7760芯片U22的7脚、8脚、9脚、10脚分别通过电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30连接，同时接3.3V电源，DAC7760数模转换器U22的6脚连接至C8051F330单片机U21的13脚，DAC7760数模转换器U22的5脚、4脚、11脚、12脚连接后接AGND端，DAC7760数模转换器U22的18脚通过电容C28与0脚连接至1脚，同时接AGND端，并且分别通过电容C24、电容C25与DAC7760数模转换器U22的24脚连接，连接后接10V电源，DAC7760数模转换器U22的19脚和13脚分别通过电阻R23、电阻R24连接电容C30的两端，一端为电流输出端，另一端接AGND端，DAC7760数模转换器U22的22脚和21脚分别通过电阻R25、电阻R26连接电容C32的一端，该端为电压输出端，电容C32的另一端接AGND端，电容C31的两端连接在DAC7760数模转换器U22的21脚和17脚，DAC7760数模转换器U22的23脚接AGND端。如图6所示，C8051F330单片机最小系统与光电转换电路相连，通过C8051F330单片机的IO口采集光电转换电路输出的脉冲信号，得到相应的频率，然后计算得到当前风速。如图7所示，C8051F330单片机与数模转换电路相连，通过内部程序，C8051F330单片机将对应的风速值换算为相应的电流或电压输出的数值，并控制数模转换器输出。如图2所示，电源电压经过防反接二极管D1后，经过电容C1滤波，然后进入TPS7A4901芯片U1，经TPS7A4901芯片U1处理后，经过电容C2、电阻R1、电阻R2组成的反馈电路，然后经过电容C3滤波后输出。如图3所示，其中VIN_24V与图2中的VIN_24V相连，经过电容C5、电容C6滤波，然后经过电阻R3设置导通时间，电阻R4用于限流，电容C7用于滤波，电容C8为启动电容，输出经过续流二极管D2和电感L1后，经过电容C9、电阻R5、电阻R6组成的电路反馈回LM5009A芯片U2，最后经过电阻R7和电容C10组成的滤波电路输出。如图4所示，其中VCC_5V与图3中的VCC_5V相连，经过电容C11滤波后，进入HT7533-3芯片U3，经过电容C12滤波后输出。如图5所示，其中VCC_3.3V与图4中的VCC_3.3V相连，经过电阻R8限流后，进入光电转换器OPT1。同时，VCC_3.3V经过上拉电阻R9与光电转换器OPT1的次级相连接。其输出信号经过SN74AHC1G14PW带施密特触发功能的反相器U4进行整形处理后输出。电容C13用于滤波。如图6所示，其中VCC_3.3V与图4中的VCC_3.3V相连，经过电容C21滤波后为C8051F330单片机U21供电。C8051F330单片机U21的P0.2和P0.3与匹配电阻R21连接，然后连接晶振Y21，并与匹配电容C22和C23连接，构成晶振电路。J21为仿真器接口，可将仿真器通过该接口连接单片机C8051F330。图中仿真器接口J21的2脚接到C8051F330单片机U21的5脚,仿真器接口J21的3脚接到C8051F330单片机U21的4脚,仿真器接口J21的4脚接DGND端,构成仿真电路。如图7所示，其中VCC_+10V与图2中的VCC_+10V相连，经过电容C24与电容C25滤波，其中VCC_3.3V与图4中的VCC_3.3V相连，经过电容C26与电容C27滤波，然后VCC_+10V和VCC_3.3V共同为DAC7760数模转换器U22供电。电容C29为DAC7760数模转换器U22内部参考电压的滤波电容。电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30为上拉电阻，通过连接VCC_3.3V，为相应的各信号提供电流。电阻R23为电流输出匹配电阻，电容C30、电容C32为滤波电容，电阻R24为电流配置电阻，电阻R25和电阻R26为电压输出匹配电阻，电容C31为电压输出补偿电容。IOUT为电流输出信号，VOUT为电压输出信号，供用户接入其系统中。如图8所示，本发明的应用程序流程是：首先读取数据，得到采集到的风速频率值，然后通过计算转换成风速值，根据需求选择是电流输出或者电压输出，如果选择电流输出，则配置电流输出范围相关参数，计算风速值对应的电流值，配置输出该电流值，即输出电流，然后返回至电流输出或者电压输出选择处，重复执行所述的流程；如果选择电压输出，则配置电压输出范围相关参数，计算风速值对应的电压值，配置输出该电压值，即输出电压，然后返回至电流输出或者电压输出选择处，重复执行所述的流程。C8051F330单片机中运行的嵌入式软件首先读取IO口数据，通过计算1s内IO口上变化的脉冲个数，得到光电转换模块采集到的风速频率值，然后根据公式v=af+b计算得出当前风速，公式中v为风速值，单位为m/s，f为测量得到的频率值，单位为Hz，a和b为计算参数，计算参数根据具体的风速传感器确定。然后，根据需求决定是电流输出或者电压输出。如果是电流输出，则配置相关参数。例如：如果确定输出方式为0-20mA输出，则配置数模转换器为0-20mA输出，并通过公式d=1024v/125计算，将当前风速值转换为输出的电流值，公式中d为模数转换器所需的控制参数，v为当前风速值，利用公式计算得到控制参数d，控制模数转换器输出。如果确定输出方式为4-20mA输出，则配置数模转换器为4-20mA输出，其它与配置为0-20mA输出时相同。如果是电压输出，则配置相关参数。例如：如果确定输出方式为0-5V输出，则配置数模转换器为0-5V输出，并通过公式d=1024v/125计算，将当前风速值转换为输出的电压值，其中d为模数转换器所需的控制参数，v为当前风速值，利用公式计算得到控制参数d，进而控制模数转换器输出。如果确定输出方式为0-10V输出，则配置数模转换器为0-10V输出，其它与配置为0-5V输出时相同。